水晶発振回路:作り方

あなたは、時間を追跡したり、無線送信機や受信機を安定させたりする頻度を理解したいエンジニアまたはメーカーですか?はいの場合、負荷容量のある水晶発振回路について幅広く理解している必要があります。そうすれば、時間を追跡したりクロック信号を提供したりする時計のようなプロジェクトを構築できます。また、ほとんどの場合、RF 発振器の水晶発振器回路を見つけることができます。

そのため、この記事では水晶発振器について詳しく説明します。

水晶発振回路とは?

水晶発振器の図

出典:ウィキメディア コモンズ

簡単に言えば、水晶発振回路は、特定の周波数を生成するデバイスを収容する電子回路基板です。また、振動水晶の機械的共振と連動して一定の周波数を生成する電子発振回路でもあります。

さらに、水晶発振器から生成された周波数を次の用途に使用できます。

• クォーツ時計で時間を追跡
• デジタル IC の安定した信号を生成
• 幅広い無線受信機と送信機の周波数を安定させて維持する

また、水晶振動子が効果的に機能するためには、転置された圧電性または電歪に大きく依存します。このプロセスは、電場内で水晶の形状が変化したときに発生します。

水晶振動子の仕組み

水晶振動子は逆圧電効果の原理を利用しています。また、共振回路は、抵抗 (水晶の内部構造の摩擦)、インダクタンス (水晶の質量)、静電容量 C1 (水晶の機械成形による静電容量)、および静電容量 C2 (コンプライアンス) で構成されます。

そのため、電気モデル フィールドを回路に適用すると、一部の材料に機械的変形が発生します。このコースはまた、クリスタルの反対側の面に電位差を生み出します。

同様に、面の 1 つに適用される電位差がある場合、機械的ストレスが発生します。そして、この機械的応力が圧電効果です。

通常、この回路に使用するのに最適な水晶は水晶です。それに加えて、ほとんどのレゾネーターよりも優れています。クォーツはポータブルです。また、それらは非常に安定しており、経済的に関連しており、すぐに入手でき、優れた品質係数を持っています.

とはいえ、圧電結晶に適切な交流電位をかけると、圧電結晶に機械的振動が生じる可能性があります。さらに、交流電圧の周波数範囲が水晶の固有振動数と等しい場合、機械的振動の振幅が最大になります。

さらに、等価電気回路は水晶の動作モードを説明します。また、水晶振動子には、並列共振と直列共振のような 2 つの基本共振があります。

水晶発振回路の構築方法

水晶発振器回路の例をいくつか示します:

1. 74LS04を使用した水晶発振回路

74LS04 を使用した水晶発振器

出典:Researchgate ℅ Xiao Chen

このタイプの回路は、デジタル アプリケーションでよく見られます。それは、異なる波形を生成するためです。また、基準時間となる周波数の範囲を作成するのにも役立ちます。

回路が使用する部品には次のものがあります:

• レジスターと接続するクリスタル
• RC 発振回路のコンデンサと抵抗
• コンデンサとワイヤによる LC 発振回路

動作原理

この回路は、同じ抵抗 (1K ～ 4.7K) の 2 つの抵抗器を水晶発振器設計 (1MHz ～ 10MHz) と一致させます。また、IC1 の並列共振内にある 2 つのインバーター ゲートで動作します。

回路が使用する水晶に基づいて、1MHz ～ 10MHz の出力オーバートーン周波数許容範囲を生成できます。間違いなく、出力周波数の安定性にいくつかの小さな欠陥が発生する可能性があります。

これは、回路が動作するときの温度変化が原因で発生します。その結果、水晶の容量に影響を与え、周波数の許容誤差が生じます。しかし、この回路を LC または RC ネットワークを使用する一般的な発振器と比較すると、価値は低くなります。

さらに、この回路は低消費電流を使用しています。したがって、5Vの定電源を選択できます。さらに、DC レギュレーター IC2-78L05 に 9 ～ 12 ボルトの DCV 電源を使用することで、出力を安定した電圧に維持できます。

コンデンサ (C1、C2) が電流をフィルタリングすると、C2 は高周波を引き込み、回路を干渉から保護します。

とはいえ、この回路に必要なコンポーネントは次のとおりです。

• XTAL1 – 1MHz から 10MHz のクリスタル
• R1、R2 – 1K から 4.7K (1/4W + 5%)
• C3 – 2.2µF (16V) 電解
• IC1 – 74LS04、インバーター ゲート IV
• C1 – 10µF (16V) 電解
• IC2 – 78L05 (5V)
• ユニバーサル PCB ボード
• D1 – 1N4001 (1A 50V) ダイオード
• C2 – 0.1µF (50V) ポリエステル

TTL 74LS04 を使用した回路のテスト

この回路は安価で簡単なので、水晶振動子、TTL SN7404、および 4 つの抵抗が必要です。レジスタ (R1 から R4) は、水晶振動子がフィードバックを提供する間、ツリー インバーター ゲートを線形領域にバイアスします。

また、発振は水晶の一次周波数でのみ発生します。次に、5V p-p で、出力信号は方形波発振器を形成する必要があります。

2.倍音発振器

倍音オシレーター

出典:Researchgate ℅ Peter Pfeifer

倍音発振器は、標準カットの水晶を作ることができず、水晶ウエハーがかなり薄い場合に役立ちます。たとえば、発振器には、周波数源を備えた 144 送信機の調整負荷があります。

また、負荷は通常、水晶の一次周波数の奇数倍になります。したがって、このアプリケーションには倍音発振器が最適です。この発振器の倍音水晶は 11.6MHz で、34.8MHz の第 3 高調波に同調します。

この回路の一次巻数は、出力トランス (Amidon T-50_6) で 15 です。二次ターンに関しては、セットアップに何を接続するかによって異なります。したがって、出力がさらに 3 重の回路をたどる場合、デバイスは 104 MHz クリスタルのトランシーバーのソースになります。

3. CD4060 水晶発振回路

CD4060 付き水晶発振器

出典:Researchgate

とはいえ、コースはIC4013とIC4060で構成されています。この回路の周波数サイズは約 1Hz または 2Hz です。また、標準のデジタルクロックまたは通常のクロック回路に使用できます。また、IC4060 は単動オシレータおよびカウンタです。また、外付けのコンデンサと抵抗で周波数を決定できます。

さらに、IC4060には水晶振動子があり、回路の基準となる周波数発生器です。周期の調整に役立つため、コンデンサは除外されません。また、IC4060 には、ピン 3 を分周する 2Hz の周波数を持つカウンター コースがあります。また、2 つのクロック信号周波数を分周したい場合は、IC4015 を使用してください。

4.無線周波数発振器

RF 発振器回路設計

出典:Researchgate ℅ CCBY

回路図をよく見ると、左下隅にメインの水晶発振器があることに気付くでしょう。また、小型の 1 W パワー アンプも表示されます。

このコンポーネントは、ローパス フィルターとマッチング回路の駆動に役立ちます。

次に、オシレータはキー シェーピング回路を使用して、オシレータのオンとオフを切り替えます。

その結果、回路は穏やかに開始および停止します。さらに、クリックの送信を回避するのに役立ちます。

このデバイスは、より多くの電力とよりクリーンな波形を提供します。これはすべて、FET オシレーターのドレイン回路のおかげです。興味深いことに、このコースには 40 メートルのアマチュア バンド QRP モールス符号または連続波 (マイクロスイッチ) 送信機から電力が供給されています。

5.反転ゲート発振器

反転ゲート発振器

反転ゲート オシレーターは、作成できる最も単純なオシレーターの 1 つです。最良の部分は、動作するほぼすべての反転ゲート CMOS を選択できることです。したがって、74HC14、4069、74HC04 などの反転ゲート CMOS を使用できます。

さらに、すべてのデジタルゲートは通常、再び持っています。しかし、アンプのように動作させたい場合は、約 1M5 以上の抵抗でバイアスをかけます。また、回路は 1800 の位相シフトを提供する場合があります。そして、3600 の正のフィードバックを作成して発振を開始できる唯一の方法は、コンデンサを使用することです。コンデンサは、残りの位相シフトを提供するのに役立ちます.

とはいえ、この回路のコンポーネントはどれも重要ではありません。したがって、コンデンサ (C1 と C2) の範囲は 10p から 100p です。一方、抵抗器 (R1) は 10K ～ 10M にすることができます。つまり、値は水晶のカットと周波数に依存する必要があります。

正確な値が必要な場合はどうしますか?これは、C1 が可変コンデンサであることを確認することで取得できます。ただし、その精度が必要ない場合は、2 つ目の 39p コンデンサを選択してください。

水晶振動子の応用

次の重要な用途に水晶発振器を使用できます:

• テレビゲーム
• モデム
• パソコン
• 自動車用途
• 電気通信
• エンジン制御
• デジタル システム
• GPS システム
• 温度センサー
• ケーブル テレビ システム

結論

間違いなく、水晶発振回路に関する詳細な情報があれば、特定の電子デバイス (主に DIY) を作成する際にかなり有利になります。

この記事を書いたのはそのためです — 水晶発振器回路について学ぶ旅を手助けするために.

したがって、この記事に関するご質問には喜んでお答えいたします。お気軽にご連絡ください。できるだけ早くご連絡いたします。